目錄22364摘要 超寬帶UWB陷波天線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)通信工程專業(yè)學(xué)生吳其帆指導(dǎo)教師宮淑蘭摘要：超寬帶技術(shù)利用脈沖信號實(shí)現(xiàn)了信息的傳遞，從而簡化了信息傳遞過程中相關(guān)機(jī)器結(jié)構(gòu)。這些年來，隨著時間的推移，超寬帶天線已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)之一。本文的主旨思想是研究一個小型化的超寬帶天線，能夠使其即便是采用簡單的硬件設(shè)施也能夠?qū)崿F(xiàn)其技術(shù)要求。超寬帶系統(tǒng)工作帶寬的范圍是3.1～10.6GHz，在這個帶寬范圍內(nèi)還存在著其他信息系統(tǒng)的窄帶信號，這樣就會出現(xiàn)互相干擾的問題。為此本文設(shè)計(jì)了一款具有陷波功能的微帶天線，使其在所需要的范圍內(nèi)出現(xiàn)陷波。該天線在頻段內(nèi)具有良好的陷波特性、增益和全向輻射特性，同時所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)簡單，使用價值高。關(guān)鍵詞：超寬帶陷波特性HFSS軟件Design

and

Implementation

of

UWB

Notch

AntennaStudentmajoringincommunicationengineering

Wu

Qifan

TutorGong

ShulanAbstract：Ultra-widebandtechnologyusespulsesignalstoachieveinformationtransfer,whichsimplifiesthestructureofrelatedmachinesintheprocessofinformationtransfer.Overtheyears,overtime,ultra-widebandantennashavebecomeoneoftheresearchhotspots.Themainideaofthispaperistostudyaminiaturizedultra-widebandantennathatenablesittomeetitstechnicalrequirementsevenwithsimplehardware.TheoperatingbandwidthoftheUWBsystemrangesfrom3.1to10.6GHz.Therearealsonarrowbandsignalsofotherinformationsystemsinthisbandwidthrange,whichcausesmutualinterferenceproblems.Tothisend,amicrostripantennawithnotchfunctionisdesignedtomakeanotchintherequiredrange.Theantennahasgoodnotchcharacteristics,gainandomnidirectionalradiationcharacteristicsinthefrequencyband,andthedesignedantennahasasimplestructureandhighusevalue.Keywords:Ultra-widebandNotchcharacteristicsHFSSsoftware1緒論1.1研究背景隨著時代的發(fā)展和永不休止的利益沖突，軍用科技不斷的朝著尖端發(fā)展。其中軍用雷達(dá)技術(shù)對傳統(tǒng)戰(zhàn)爭模式發(fā)起了挑戰(zhàn)，掀起了一種新的變革。而應(yīng)用其中的超寬帶技術(shù)，也隨之水漲船高，不斷的獲得突破和發(fā)展。超寬帶技術(shù)的發(fā)展方向和發(fā)展深度得到了不斷地完善和進(jìn)步，以此為基礎(chǔ)的一系列科技產(chǎn)品具備了生產(chǎn)應(yīng)用的可能。超寬帶無線技術(shù)又被稱之為脈沖無線電技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)最早的出現(xiàn)時間大約在二十世紀(jì)六十年代，當(dāng)時主要研究了比較簡單的相關(guān)技術(shù)，層次比較淺顯簡易。通過對一些頂尖的公司的研發(fā)成果進(jìn)行綜合研究，UWB技術(shù)在20世紀(jì)70年代取得了十分重要的突破和發(fā)展，主要表現(xiàn)在雷達(dá)系統(tǒng)方面的相關(guān)應(yīng)用，比如探地雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用。到了20世紀(jì)80年代末的時候，超寬帶技術(shù)已成為廣為人知的一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)。人們稱之為無載波無線電技術(shù)，或者又叫做脈沖無線電技術(shù)。關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)的名稱，一直都是眾說紛紜。不同的人或者學(xué)派都其都有著不同的稱呼，直到1989年的時候，美國國防部首次稱之為“超寬帶”。作為超級大國和在該領(lǐng)域內(nèi)的佼佼者，這一名稱也隨之正式統(tǒng)一化。一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)如果被束縛在一個應(yīng)用層面，那么它的價值將會大打折扣。為此科學(xué)研究工作者紛紛探索超寬帶技術(shù)在民用領(lǐng)域的可能性。聯(lián)邦通信委員會(FCC)從1998年開始研究超寬帶相關(guān)方面的技術(shù)問題，通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了分析，證實(shí)了超寬帶技術(shù)在民用領(lǐng)域的可用性。一開始的時候，該技術(shù)由軍用拓展到民用引起了大量的反對聲潮，但是聯(lián)邦通信委員會仍然堅(jiān)持超寬帶技術(shù)向民用領(lǐng)域發(fā)展，并向其提供應(yīng)用許可。由此不難看出，超寬帶技術(shù)的潛在市場價值巨大，發(fā)展前景十分廣闊。自軍用天線的部分頻帶達(dá)成開放協(xié)議，能夠應(yīng)用于民用后，天線的研究已成為雷達(dá)、無線電、探測器、對講機(jī)、無線電話、無線局域網(wǎng)、移動電話等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近幾年來，大量的短距離控制器的使用在市場經(jīng)濟(jì)利益和技術(shù)科研革新兩方面推動了超寬帶天線技術(shù)的飛速發(fā)展。至此之后，超寬帶技術(shù)的發(fā)展由低速車軌邁入高速車軌。日新月異的技術(shù)和不同的功能需求，加之廣闊的市場前景，與之相關(guān)的超寬帶天線的設(shè)計(jì)也成為了研究的熱點(diǎn)。國內(nèi)對超寬帶方面的技術(shù)知識從一開始的一片空白到后來的奮起直追，付出了常人難以想象的艱辛。時至今日，我國各大高等院校以及相關(guān)的研究所單位通過不懈的努力，在超寬帶技術(shù)領(lǐng)域均獲得了不同程度的科研成果。特別是信息產(chǎn)業(yè)部36所、22所等在UWB天線、UWB雷達(dá)、UWB信號分析和UWB匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等方面都獲得了一定研究成果。盡管如此，國內(nèi)對UWB天線的研究仍落后于國外。2007年1月的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，有關(guān)UWB天線的發(fā)明專利共計(jì)63項(xiàng)，來自國內(nèi)的只有9項(xiàng)，其余主要來自美、日、韓等先進(jìn)國家[1]。在超寬帶技術(shù)領(lǐng)域，我們?nèi)匀恍枰リP(guān)克難，不斷前進(jìn)。1.2技術(shù)回顧冷戰(zhàn)結(jié)束后，由于超寬帶技術(shù)的巨大價值，大量研究公司不斷提出解除對UWB的民事禁令。迫于壓力和可觀的經(jīng)濟(jì)利益，該禁令最終在2月被解除。2002年，由于UWB軍轉(zhuǎn)民的趨勢漸成定局。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)最終同意該技術(shù)進(jìn)入到民用領(lǐng)域，用戶不需要提交申請也可以使用。超寬帶以前無法用于民用，并不僅僅是軍用轉(zhuǎn)民用的規(guī)則問題。其主要的原因是因?yàn)閁WB具備“超寬帶”這一特殊性質(zhì)?；赨WB的通信所需要的帶寬非常大，從幾百兆赫茲到幾千兆赫茲都涵蓋在內(nèi)。比如說英特爾的試用機(jī)器使用從2GHz頻段到6GHz頻段的4GHz帶寬。這個帶寬是相當(dāng)之大，一般的模擬電話所使用的帶寬只有30千赫。與其相比，足見差距。在實(shí)際當(dāng)中，并沒有這么寬的波段。因此，不管采用何種技術(shù)手段，總會有一些部分的頻帶與其他的系統(tǒng)存在著重復(fù)。也就是說因?yàn)檫@個原因所造成的干擾必然會存在，亦即解決該問題迫在眉睫。2002年2月，聯(lián)邦通信委員會允許UWB技術(shù)在履行制定協(xié)議的條件下進(jìn)入民用領(lǐng)域。隨著該技術(shù)民用化過程的解禁，相關(guān)企業(yè)紛紛投入到研究當(dāng)中，超寬帶技術(shù)研究人員也正式放開拳腳大展身手。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)得出結(jié)論，UWB可以在10米的范圍內(nèi)達(dá)到數(shù)百兆每秒的傳輸速率，同比其他無線技術(shù)傳輸效率要高。但是有些無線局域網(wǎng)在20米處傳輸速率則更高。也就是說，不同距離內(nèi)不同的無線技術(shù)傳輸速率存在差異，UWB并不是一項(xiàng)功能重復(fù)的技術(shù)。由于UWB將與現(xiàn)有的無線技術(shù)共存，并在短距離傳輸上的優(yōu)異表現(xiàn)，所以它不會用于遠(yuǎn)程傳輸。由于UWB完全不同于現(xiàn)有的無線通信，例如移動電話和無線LAN，所以需要這種帶寬。超寬帶技術(shù)不需要使用載波，在這一點(diǎn)上與其它的通信技術(shù)存在著巨大的差別。超寬帶利用極快的脈沖信號來傳輸信息。由于光只能在1納秒內(nèi)傳播30cm，所以這個脈沖非常的短暫。同樣的道理，當(dāng)使用脈沖來發(fā)送信號時，脈沖越小，在一個時間單位內(nèi)發(fā)送更多的信號。帶寬越大，可以發(fā)送更多的脈沖。不僅能提高速度，而且能有效降低能耗。由于接通時間非常短，所以平均功耗非常低。1.3發(fā)展前景科研工作者結(jié)合超寬帶通信技術(shù)的各種特點(diǎn)，發(fā)掘出其在各個領(lǐng)域應(yīng)用的潛能，發(fā)揮出該技術(shù)不俗的價值。如：①個域網(wǎng)中應(yīng)用：令其他系統(tǒng)望塵莫及的超強(qiáng)短距傳輸能力加上與眾不同的低輸出功率，使其在一定范圍內(nèi)同比性能出類拔萃。在室內(nèi)使用UWB能夠提供非?？焖俚臄?shù)據(jù)傳輸，因此UWB特別適合于個域網(wǎng)。使用UWB技術(shù)，可以在室內(nèi)環(huán)境利用無線技術(shù)快速的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在移動設(shè)施和電腦等之間傳遞。具有類似功能的藍(lán)牙無論是在傳輸速率還是功耗上，都遜色于此項(xiàng)技術(shù)。例如說手機(jī)向播放器傳輸視頻文件，如果使用藍(lán)牙則需要的時間將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出使用UWB傳輸?shù)臅r間，相差可以達(dá)到400倍左右。②智能交通應(yīng)用：利用\t"/item/%E8%B6%85%E5%AE%BD%E5%B8%A6%E6%97%A0%E7%BA%BF%E9%80%9A%E4%BF%A1/_blank"UWB的定位和搜索能力，可以制造主動探測地形的簡易雷達(dá)?，F(xiàn)在道路的車流量十分大，而行車環(huán)境也各不相同。在駕駛員疲勞或者大意的時候，裝載了這種雷達(dá)的汽車會在探測到車身附近有障礙物或者變化地形的時候，根據(jù)智能系統(tǒng)分析距離會及時提醒駕駛員注意避讓或者及時停車。利用UWB可還以建立多個互聯(lián)通信系統(tǒng)，例如自身車身和收費(fèi)站、道路監(jiān)控等設(shè)備均裝備了該技術(shù)系統(tǒng)，那么將會獲得不斷更新的各種數(shù)據(jù)信息。比如行駛的里程、道路信息和定位信息等等。③傳感器聯(lián)網(wǎng)：\t"/item/%E8%B6%85%E5%AE%BD%E5%B8%A6%E6%97%A0%E7%BA%BF%E9%80%9A%E4%BF%A1/_blank"UWB使用低成本、功耗低，因此UWB非常適合應(yīng)用在無線傳感網(wǎng)上面。傳感器通過無線的方式輸數(shù)據(jù)將具有簡便快速的特點(diǎn)。無線傳感網(wǎng)技術(shù)需要相對應(yīng)的成本比較低廉的設(shè)施；同時為了設(shè)備維護(hù)更換，需要減少損耗。而超寬帶技術(shù)恰恰具備功耗低的特點(diǎn)。④成像應(yīng)用：由于\t"/item/%E8%B6%85%E5%AE%BD%E5%B8%A6%E6%97%A0%E7%BA%BF%E9%80%9A%E4%BF%A1/_blank"UWB對于物體的穿透能力比較強(qiáng)，所以UWB自然而然的就應(yīng)用于成像系統(tǒng)上面。利用UWB技術(shù)，可以制造具有一定穿透功能的雷達(dá)。該種雷達(dá)無論是用于范圍偵查還是警用探測，亦或是礦物資源的探查。特別是在一些自然災(zāi)難災(zāi)后尋人救援方面，亦能發(fā)揮奇效。由于UWB有著很多優(yōu)點(diǎn)，它還可以用于智能標(biāo)識、有線網(wǎng)絡(luò)的無線延伸以及在軍事方面用來實(shí)現(xiàn)超保密的通信系統(tǒng)[2]。2超寬帶天線的理論基礎(chǔ)2.1技術(shù)特點(diǎn)比較之中才能得出優(yōu)劣。與其它的通信系統(tǒng)相比較，基于超寬帶技術(shù)的通信系統(tǒng)也有著其與眾不同的特點(diǎn)：①抗干擾性能:UWB利用脈沖信號傳遞數(shù)據(jù)，因此它的輸出功率很低，甚至低于有些設(shè)備的噪聲，所以受到的影響很小。換而言之它能在極短的時間內(nèi)完成信息傳遞，也就是說信號的還原度較高。因此，與藍(lán)牙等其他傳輸技術(shù)相比，UWB抗干擾性比較強(qiáng)。②傳輸速率高:UWB在4m內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸速率甚至可以達(dá)到480Mbit/s，而藍(lán)牙大概在1Mbit/s左右，其傳輸能力高下立判。在短距離傳輸條件下，UWB技術(shù)存在著無可比擬的速度優(yōu)勢，令其他技術(shù)望塵莫及。③帶寬極寬:UWB使用的帶寬在1GHz以上，甚至再擴(kuò)大幾倍。最關(guān)鍵的是采用一些簡單的處理方式后，它能在其他系統(tǒng)工作頻率內(nèi)使用而不產(chǎn)生相互之間的影響。這樣一來，不變的頻率資源通過一種另類的方式得到了“增加”。④系統(tǒng)容量大:因?yàn)椴恍枰褂幂d波而使用脈沖信號，所以UWB系統(tǒng)的頻譜很寬，同時也正是因?yàn)槿绱硕鴮?dǎo)致輸出功率很低，這樣一來UWB系統(tǒng)與其他系統(tǒng)便能共同在一段頻譜內(nèi)使用。因此不變的范圍而變相的得到了“擴(kuò)容”，即提高了頻譜利用率，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)容量的變相擴(kuò)大。⑤發(fā)射功率低:由于使用脈沖信號傳遞數(shù)據(jù)信息，而產(chǎn)生和接受脈沖信號的時間又非常的短暫，換而言之就是接電時間非常的短暫，所以平均功率低。⑥保密性好:UWB保密性表現(xiàn)為跳時擴(kuò)頻和發(fā)射功率譜密度極低兩個方面。同時，與其它通信系統(tǒng)的傳輸信號相比，超寬帶的信號隱蔽性較好。⑦通信距離短:隨著傳輸距離的增加，超寬帶的傳輸速率會降低。在短距離的范圍內(nèi)，超寬帶強(qiáng)大的傳輸能力才能得以體現(xiàn)。⑧多徑分辨率:基于超短時脈沖信號工作的超寬帶技術(shù)，也因此具有強(qiáng)大的分辨能力。⑨便攜:超寬帶技術(shù)使用基帶傳輸，其設(shè)備功耗小且結(jié)構(gòu)簡單。小型化的設(shè)計(jì)適合便攜式裝備[3]。2.2軟件介紹HFSS（HighFrequencySimulatorStructure）是美國Ansoft公司開發(fā)的全波三維電磁仿真軟件，該軟件基于有限元法，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，界面友好，功能強(qiáng)大，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]。HFSS操作簡單，易于上手。能夠通過短時間內(nèi)學(xué)習(xí)掌握建模、設(shè)置參數(shù)、設(shè)置邊界條件、設(shè)置激勵方式等等。通過運(yùn)行無差錯的模型后可以觀測電場分析、S參數(shù)、史密斯圓圖等等，并從中攝取自己所需要的數(shù)據(jù)信息。HFSS軟件可以設(shè)計(jì)分析天線，并在檢查無誤運(yùn)行后得到天線的各種特性，比如增益特性、電場分布特性和幅值變化特性等；繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比[5]。使用HFSS，可以計(jì)算：①基本電磁場數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)場輻射問題；②端口特征阻抗和傳輸常數(shù)；③S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)；④結(jié)構(gòu)的本征模或諧振解[6]。而且，由AnsoftHFSS和AnsoftDesigner構(gòu)成的Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)[7]。在同類型的仿真軟件中HFSS也同樣顯得出類拔萃，易于為大眾接受。HFSS成為了相關(guān)專業(yè)學(xué)生到專業(yè)導(dǎo)師最實(shí)用且容易上手的仿真軟件。2.3工作安排本文首先通過查閱資料學(xué)習(xí)來掌握超寬帶技術(shù)的基礎(chǔ)知識，然后分析超寬帶技術(shù)的發(fā)展歷史。查看超寬帶天線的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，并根據(jù)此狀況陳述超寬帶技術(shù)發(fā)展的前景。參考資料學(xué)習(xí)超寬帶技術(shù)相關(guān)的知識，了解它的技術(shù)特點(diǎn)和功能應(yīng)用。然后安裝HFSS軟件，學(xué)習(xí)其仿真運(yùn)用知識。查閱資料，講述該軟件的功能和同比其他軟件所具有的特點(diǎn)。然后根據(jù)要求設(shè)計(jì)一款具有陷波特性的微帶貼片天線，然后學(xué)習(xí)相關(guān)方面的知識。比如說模型構(gòu)建中的參數(shù)設(shè)置等，以及如何建模才能達(dá)到要求。接下來闡述了微帶天線的設(shè)計(jì)過程，包括材質(zhì)的選擇和模型的構(gòu)造參數(shù)的設(shè)置。即確定參考地、介質(zhì)層、輻射元貼片、微帶饋線、波端口激勵等的參數(shù)。在菜單欄點(diǎn)擊Validate查看，發(fā)現(xiàn)檢測所有步驟都是正確即對話框所有條件都打勾，之后點(diǎn)擊AnalyzeAll運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)束后得出普通貼片天線的S參數(shù)和電壓駐波比曲線圖，然后參考資料對該天線貼片開槽，運(yùn)行仿真后得到S參數(shù)曲線圖和電壓駐波比曲線圖，確定開槽后是否能讓天線產(chǎn)生陷波特性。然后根據(jù)模型構(gòu)造的參數(shù)和仿真后的結(jié)果對天線進(jìn)行優(yōu)化，使其具備滿足要求的雙陷波特性。最后總結(jié)全文，根據(jù)設(shè)計(jì)過程對超寬帶天線的發(fā)展前景做出展望并書寫自己的心得體會，檢查無誤后致謝參考文獻(xiàn)作者以及論文指導(dǎo)老師。3新型超寬帶微帶天線的研究分析3.1天線介質(zhì)基板的確定在仿真模型的構(gòu)建中，根據(jù)書本知識和網(wǎng)絡(luò)參考資料，再結(jié)合本論文設(shè)計(jì)的具體要求，然后確定電介質(zhì)基片的材料選擇為普通聚四氟乙烯(FR4_EPOxy)，該介質(zhì)的相對介電常數(shù)是4.4。為了計(jì)算方便和建模簡化，同時減小表面波損耗，介質(zhì)的高度H選擇為1mm。太薄的話在實(shí)際操作過程中會增加材質(zhì)加工的難度。3.2天線饋電方式的選擇微帶天線模型構(gòu)建好之后需要添加激勵，同時要選擇饋電方式。微帶貼片天線的饋電方式有很多種，每一種饋電方式都有著其獨(dú)有的特點(diǎn)和適用條件。其中微帶線饋電技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，制造過程簡單，并且微帶饋線和輻射元貼片在同一平面上。凡事有利則有弊，在同一平面上的微帶饋線的存在，其本身也會產(chǎn)生輻射和阻抗。再看另外一種饋電方式：同軸饋電。同軸線饋電的饋點(diǎn)位置可以通過其他已知的數(shù)據(jù)計(jì)算得到。饋線設(shè)置在貼片內(nèi)，下面連接接地板，這樣就不會像微帶饋線一樣產(chǎn)生輻射影響。但是它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制作過程比較繁瑣。比較兩種饋電方式后，為了滿足平面化、小型化、簡單化的要求，本文選擇微帶饋線饋電方式。3.3參考天線的選取根據(jù)UWB天線的設(shè)計(jì)要求，然后參考《HFSS原理與工程應(yīng)用》一書設(shè)計(jì)并創(chuàng)建一個簡易的貼片天線。計(jì)算該天線的參數(shù)尺寸，然后參考網(wǎng)絡(luò)資料采用開槽的方式來實(shí)現(xiàn)該微帶貼片天線的陷波。在確定介質(zhì)層高度H=1mm，介電常數(shù)4.4，微帶天線的工作頻率和輻射元的長度L和寬度W相關(guān)。根據(jù)李明洋老師的HFSS課程中計(jì)算步驟，可使用以下公式：L=Leff-2ΔW=c公式中f0為天線的工作頻率，εeff代表有效介電常數(shù)。代入數(shù)值，根據(jù)公式計(jì)算可得輻射元的長為18mm，寬為16mm。參考莊緒亮等人設(shè)計(jì)，令介質(zhì)層為35mm*35mm*1mm規(guī)格。波端口的參數(shù)需要滿足一定的要求，即高度應(yīng)為天線高度的6倍左右，寬度應(yīng)為微帶饋線寬度的5倍左右?，F(xiàn)在已知天線高度，所以波端口設(shè)置參數(shù)高度為6mm。該天線在2.9~11GHz頻段內(nèi)駐波比小于2，覆蓋了UWB天線所要求的工作頻段，即滿足要求。4天線的設(shè)計(jì)與仿真4.1建模①首先建立新的工程，然后設(shè)置求解類型：HFSS-SolutionType-DrivenModal-OK。圖4.1設(shè)置求解模型②設(shè)置模型單位：Modeler-Units-mm-OK。圖4.2設(shè)置模型單位③創(chuàng)建參考地（GroundPlane）：在菜單欄中點(diǎn)擊Draw-Rectangle，在桌面的右下方會出現(xiàn)待輸入坐標(biāo)欄。在坐標(biāo)輸入欄中輸入起始點(diǎn)坐標(biāo)（0，18，0），按回車結(jié)束輸入。然后輸入長寬為35，17。接下來需要更改命名，即改默認(rèn)名為參考地名。在屬性窗口（Property）選擇Attribute標(biāo)簽，將名字修改為GND。為GND設(shè)置理想邊界條件，在菜單欄中點(diǎn)擊Edit-Select-ByName。在對話框中選擇GND后點(diǎn)擊OK。建立好參考地模型之后需要為其添加接地面條件。在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS-Boundaries-Assign-PerfectE。設(shè)置好條件之后同樣需要更改命名。在理想邊界設(shè)置窗口中，將理想邊界命名為PerfE-GND，點(diǎn)擊OK結(jié)束。圖4.3參考地設(shè)置④創(chuàng)建介質(zhì)：在菜單欄中點(diǎn)擊Draw-Box，在桌面右下方同樣會出現(xiàn)起始點(diǎn)坐標(biāo)輸入欄。為了方便操作和計(jì)算，本文將長方體的起始位置設(shè)置在坐標(biāo)軸原點(diǎn)，即（0，0，0），按回車鍵結(jié)束輸入。再輸入長方體的長寬高：35，35，1。在屬性（Property）窗口中選擇Attribute標(biāo)簽，將該長方體命名為Substrate。點(diǎn)擊Material后面的按鈕，將材料設(shè)置為FR4_epoxy。圖4.4介質(zhì)層材料的選擇⑤創(chuàng)建輻射元：在菜單欄中點(diǎn)擊Draw-Rectangle，在桌面右下方輸入起始點(diǎn)坐標(biāo)（9，0，1），按回車結(jié)束輸入。按照原模型構(gòu)思計(jì)算好的輻射貼片大小，分別輸入長寬為16，18。為了區(qū)別，同樣需要重新命名。在屬性窗口（Property）選擇Attribute標(biāo)簽，將名字修改為Patch。天線作為一個輻射結(jié)構(gòu)，理論上輻射邊界為無限遠(yuǎn)。為了模擬改環(huán)境條件，同樣需要為Patch設(shè)置理想邊界條件，在菜單欄中點(diǎn)擊Edit-Select-ByName。在對話框中選擇Patch后點(diǎn)擊OK。選定要設(shè)置條件的目標(biāo)之后，在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS-Boundaries-Assign-PerfectE。同樣的，為了區(qū)分需要重新命名。在理想邊界設(shè)置窗口中，將理想邊界命名為PerfE-Patch，點(diǎn)擊OK結(jié)束。圖4.5更改貼片命名⑥創(chuàng)建波導(dǎo)激勵：在菜單欄中點(diǎn)擊Draw-Rectangle，電腦桌面右下方彈出的輸入欄。在彈出的輸入欄中輸入起始點(diǎn)坐標(biāo)（25，35，0），按回車結(jié)束輸入。然后輸入X為-12，Z為6。在屬性窗口（Property）選擇Attribute標(biāo)簽，將名字修改為Port。為Port設(shè)置條件，在菜單欄中點(diǎn)擊Edit-Select-ByName。桌面彈出待選目標(biāo)的操作選擇，在對話框中選擇Port后點(diǎn)擊OK。在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS-Boundaries-Assign-PerfectE。同上原因，需要更改該邊界默認(rèn)名。在理想邊界設(shè)置窗口中，將理想邊界命名為PerfE-Port，點(diǎn)擊OK結(jié)束。圖4.6設(shè)置波導(dǎo)激勵⑦創(chuàng)建微帶饋線：在菜單欄中點(diǎn)擊Draw-Rectangle，在坐標(biāo)輸入欄中輸入起始點(diǎn)坐標(biāo)（16，18，1），按回車結(jié)束輸入。然后輸入長寬高為2，17，0.001。在屬性窗口（Property）選擇Attribute標(biāo)簽，點(diǎn)擊Material后面的按鈕。考慮到輻射和阻抗等原因，本文將饋線材料設(shè)置為理想導(dǎo)體，即將材料設(shè)置為Pec點(diǎn)擊OK結(jié)束。圖4.7為饋線選擇理想導(dǎo)體材料4.2仿真在菜單欄中設(shè)置求解頻率及掃頻范圍，然后觀察檢測項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)全部正確時表示沒有錯誤。模型圖：圖4.8初始模型圖檢查模型各項(xiàng)條件設(shè)置是否正確，確定每一項(xiàng)后面都打勾正確之后進(jìn)行仿真，得到S參數(shù)和VSWR仿真結(jié)果如圖所示：圖4.9S參數(shù)曲線圖4.10VSWR曲線4.3開槽通過大量參考資料分析可以得知，使用開槽的方法可以實(shí)現(xiàn)陷波天線的優(yōu)化，本文先參考資料在輻射貼片上開一個T形槽。參考莊緒亮老師等人的文獻(xiàn)后，選定槽的縫隙寬度為0.4mm，長度為4.5mm。根據(jù)文獻(xiàn)資料可知，這樣就就得到一副具有陷波特性的UWB天線。對模型進(jìn)行開槽，在輻射貼片上構(gòu)建好要開槽形狀的矩形面，使用Subsract減法運(yùn)算用輻射元貼片減去矩形面，這樣就可以得到開槽過后的輻射元貼片。圖4.11開槽后模型在菜單欄點(diǎn)擊Validate查看，發(fā)現(xiàn)檢測所有步驟都是正確之后點(diǎn)擊AnalyzeAll運(yùn)行。重復(fù)操作得到開槽之后的S參數(shù)曲線和VSWR曲線圖：圖4.12S參數(shù)曲線圖4.13VSWR曲線比較開槽前和開槽后的S曲線圖和VSWR曲線圖可知，在輻射貼片上開T形槽后，在4.92~5.96GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了陷波的效果。要想實(shí)現(xiàn)雙陷波特性，還需要在貼片的另外一側(cè)開槽，但是此時的陷波頻率與之前不同，所以參考文獻(xiàn)設(shè)橫向槽長度為9mm，即為縱向開槽的2倍。以下是開槽后的模型圖:圖4.14兩邊開槽后模型對天線進(jìn)行仿真，定義開槽的橫向長度為wideth，對并對T型槽的值進(jìn)行優(yōu)化。定義變量后優(yōu)化VSWR曲線如圖所示：圖4.15開槽長度對天線陷波特性的影響由圖可得，當(dāng)開槽長度變化時，對陷波的位置也產(chǎn)生了一些影響。當(dāng)長度為4.3mm，4.5mm，4.7mm時的情況各不相同，且對右邊開槽確定的陷波也產(chǎn)生了一定的影響。不斷改變開槽的長度來調(diào)整陷波的位置，最后確定在左豎槽9mm,右橫槽4.5mm和右豎槽4.5mm，右橫槽4.5mm時貼片天線實(shí)現(xiàn)了在3GHz和5GHz范圍的雙陷波。圖4.163.1GHz、3.75GHz、5.5GHz、10.6GHz時的輻射方向圖影響天線陷波的因素有很多，包括參考地介質(zhì)層輻射元貼片微帶饋線等等，只有不斷優(yōu)化和完善才能創(chuàng)造出更好的微帶天線來。總結(jié)這些年來，在日新月異的科學(xué)技術(shù)更迭浪潮之中，超寬帶技術(shù)得到了長足的發(fā)展。尤其是短距離高速傳輸?shù)膶?shí)際要求在市場上大力推動了以超寬帶技術(shù)為基礎(chǔ)的科技產(chǎn)品發(fā)展。超寬帶通信技術(shù)在短距離范圍內(nèi)，比如說室內(nèi)環(huán)境下，有著同比系統(tǒng)無法比擬的絕對優(yōu)勢。其高速的數(shù)據(jù)傳輸速率、超低的功率消耗、簡便的設(shè)備結(jié)構(gòu)、巨大的帶寬等特點(diǎn)，都讓在同類通信系統(tǒng)中獨(dú)占鰲頭。在UWB系統(tǒng)中，滿足設(shè)計(jì)要求的天線的構(gòu)造并不簡單。其在構(gòu)思操作過程中都存在著許多需要解決的問題。UWB天線不僅要求滿足許多特性效果，同時要求天線滿足小型化、平面化和簡單化的要求。特別是本文的天線的陷波特性要求，也就是要在特定的頻率下實(shí)現(xiàn)陷波，以此來消除與其他通信系統(tǒng)可能會產(chǎn)生的相互干擾。微帶天線具有制作成本低廉、消耗功率低、結(jié)構(gòu)平面簡單等優(yōu)點(diǎn)。但微帶天線的頻帶較窄，也正是應(yīng)為此，微帶天線的實(shí)際工作條件得到了限制。本論文在原有書籍給定天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行加工，對天線進(jìn)行了另外的條件設(shè)置，然后運(yùn)行仿真得出結(jié)果。本論文的主要工作是了解UWB技術(shù)的原理；查看該技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；參考大量的資料了解超寬帶天線的基本構(gòu)造，并結(jié)合設(shè)計(jì)要求對參考天線進(jìn)行改動構(gòu)思；然后在參考天線的基礎(chǔ)上，使用開槽的方法改變微帶天線的輻射元貼片結(jié)構(gòu)，使其出現(xiàn)陷波特性。本論文對微帶饋電和同軸饋電進(jìn)行分析比較最后選擇微帶饋電方式；然后對開槽長度進(jìn)行分析，確定最后的開槽長度。本論文仿真過程中發(fā)現(xiàn)左右開槽會互相影響，通過進(jìn)一步研究和查看資料發(fā)現(xiàn)在饋線上開小矩形槽或者在接地板上開槽能夠進(jìn)一步優(yōu)化天線特性?，F(xiàn)有的微帶天線絕對不是優(yōu)化最好的狀態(tài)，但是即便如此超寬帶天線也展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢來。因此隨著時代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，超寬帶技術(shù)將會更上一層樓。參考文獻(xiàn)：[1]尤麗娜.超寬帶天線的研究與設(shè)計(jì).安徽：安徽大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.[2]莊緒亮.具有陷波特性的超寬帶天線研究與設(shè)計(jì)[D].長春工業(yè)大學(xué),2015.[3]肖竹,王勇超,田斌,等.超寬帶定位研究與應(yīng)用:回顧和展望[J].電子學(xué)報(bào),2011.[4]李明洋.HFSS電磁仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用詳解.北京：人民郵電出版社，2010.5.[5]曹媛.一種BGAN系統(tǒng)微帶天線的設(shè)計(jì)與制作[D].大連海事大學(xué),2008.[6]熊波曾鑫于德海邢永強(qiáng).對反艦導(dǎo)彈無線電高度表的干擾途徑分析[D].四川兵工學(xué)報(bào),2012.[7]崔坤林.一種新穎的雙陷波UWB天線[D].海裝飛機(jī)辦公室,2015.[8]魏小飛.新型小型化超寬帶平面天線的設(shè)計(jì)與研究[D].上海交通大學(xué),2014.[9]顧笑也.超寬帶無線通信技術(shù)的發(fā)展[D].中國新通信,2013.[10]劉康.低信噪比條件下基于Gabor原子網(wǎng)絡(luò)的UWB目標(biāo)識別[D].北京郵電大學(xué),2013.[11]王利.試析寬帶無線通信技術(shù)的應(yīng)用及其未來的發(fā)展走向[D].黑龍江電信國脈工程股份有限公司,2014.[12]曾劍.超寬帶無線通信在現(xiàn)代防空襲作戰(zhàn)中的作用[D].景德鎮(zhèn)市人民防空辦公室民防局,2014.[13]M.Koohestani,M.Golpour:‘Veryultra-widebandprintedCPW-fedslotantenna’.ELECTRONICSLETTERS,Vol.45,No.21,October2009.[14]N.Farrokh-Heshmat,J.Nourinia，C.Ghobadi.Band-notchedultra-widebandprintedopen-slotantennausingvariableon-groundslits.ELECTRONICSLETTERS,Vol.45,No.21,October2009.[15]Seong-YoupSuh，W.L.Stutzman，W.A.Davis，“ANewUltra-widebandPrintedMonpoleAntenna:ThePlanarInvertedConeAntenna(PICA)”，IEEETransactionsonAntennasandPropagation,Vol.52,No.5,May2004.[16]曹帥.基于zigbee技術(shù)的智能家居對象控制與組網(wǎng)方案研究[D].武漢紡織大學(xué),2010.[17]褚瑞.基于新型微擾小環(huán)的微帶雙模帶通濾波器[D].上海交通大學(xué),2010.[18]胡偉，張建華，馬亮.一種采用T形縫的超寬帶陷波天線.合肥工業(yè)大學(x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